3D打印技術(shù)在足踝外科的臨床應用進展

林文杰，鄒其聲，黃文華，，歐陽漢斌，楊洋，孫欣

1.廣東醫(yī)科大學附屬醫(yī)院骨科中心，廣東湛江524001；2.南方醫(yī)科大學基礎(chǔ)醫(yī)學院人體解剖學國家重點學科/廣東省醫(yī)學生物力學重點實驗室/廣東省醫(yī)學3D打印應用轉(zhuǎn)化工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510515

前言

3D打印，也稱為快速成型制造、實體自由成型制造或增材制造等，被認為是推動新一輪工業(yè)革命的核心，是一種基于離散-堆積原理，將數(shù)字三維模型分層切割為二維橫截面形狀，并通過各種材料（如塑料聚合物、金屬和生物材料等）逐層疊加而產(chǎn)生單一實體的技術(shù)［1］。這項技術(shù)最早可追溯于20世紀80年代由Charles Hull 教授提出，而在1988年，第一臺商用3D 打印機的推出，標志著3D 打印技術(shù)的正式誕生［2］。與傳統(tǒng)制造方式相比，3D 打印技術(shù)具有快速成型、高設(shè)計自由度、可定制性等優(yōu)勢，并能精確控制宏觀和微觀結(jié)構(gòu)，目前在醫(yī)學領(lǐng)域中，正廣泛應用于教育培訓、手術(shù)模擬、手術(shù)導航模板、內(nèi)植物假體和輔助支具等方面。足踝部作為人體最為復雜解剖結(jié)構(gòu)之一，其涉及脛骨下端和脛、腓內(nèi)外踝基底部以下的所有骨與關(guān)節(jié)、韌帶與肌腱、肌肉、血管、神經(jīng)等結(jié)構(gòu)，是人體重要的負重器官和運動器官［3］。由于足踝部解剖與生物力學特殊性、致病因素多樣性，導致足踝外科疾病譜較廣，診斷及治療方案相對復雜，預后往往欠佳，而隨著個體化及精準化治療的愈發(fā)重視，作為醫(yī)學數(shù)字化技術(shù)的集中體現(xiàn)，3D打印技術(shù)在足踝外科中顯示出了極高的臨床價值及應用前景。因此，本文就現(xiàn)有國內(nèi)外文獻對3D 打印技術(shù)在足踝外科領(lǐng)域的臨床應用進展及局限性作一綜述。

1 3D打印技術(shù)的流程

在醫(yī)學領(lǐng)域，3D打印流程通常由三維建模、分層離散及3D 打印3 個步驟組成。首先是數(shù)字化三維模型的創(chuàng)建，目前臨床上主流方法包括：①計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design,CAD），通過各種CAD軟件，外科醫(yī)生可在計算機上進行導航模板、內(nèi)固定或假體等設(shè)計，該過程通常用于設(shè)備或工具的快速成型制作；②醫(yī)學影像數(shù)據(jù)三維重建，利用患者薄層醫(yī)學影像數(shù)據(jù)，如計算機斷層掃描（Computed Tomography,CT）或磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）在醫(yī)學圖像處理軟件中進行三維幾何模型重建，以用于后續(xù)設(shè)計或模型3D打印，此種方法在臨床中更為常用；③三維掃描儀，使用三維掃描儀對人體或物件表面結(jié)構(gòu)進行連續(xù)測量，進一步獲取得物體表面點云數(shù)據(jù)通過第三方軟件轉(zhuǎn)換為虛擬三維模型，與醫(yī)學影像數(shù)據(jù)三維重建不同，該技術(shù)只針對物體表面的形態(tài)進行模型重建，故臨床上用途有限，主要用于實體模型的虛擬轉(zhuǎn)換、體積測量和輔助支具的設(shè)計等。其次，將上述數(shù)字三維模型以立體光刻（STereoLithography, STL）格式輸出至分層切片軟件中，進一步將模型“切割”成一系列二維橫截面，分層后STL 文件稱為G 代碼。最后，將上述步驟獲取的G代碼輸入打印機中，選擇各種剛性或柔性可粘合材料，通過添加連續(xù)的材料層再現(xiàn)虛擬橫截面，從而制作出3D物理模型。

2 術(shù)前討論、手術(shù)模擬及醫(yī)患溝通

充分、精確的術(shù)前規(guī)劃是獲得良好手術(shù)療效的前提與保證。然而，限于傳統(tǒng)尸體解剖教學的條件，大部分足踝外科醫(yī)師僅能依靠其自身的知識經(jīng)驗結(jié)合二維醫(yī)學圖像進行術(shù)前規(guī)劃，如X光、CT等。盡管上述影像學檢查可以作為診斷疾病的類型及嚴重程度的輔助手段，但它們無法準確反映復雜的三維空間結(jié)構(gòu)并提供觸覺反饋，使得手術(shù)團隊成員之間難免出現(xiàn)不同程度上的認知差異［4-5］。隨著3D 打印設(shè)備的不斷革新以及打印材料的多樣化發(fā)展，3D 打印速度和精度得以不斷提高，同時打印成本的下降使定制化3D 打印解剖模型在復雜病例的使用愈發(fā)普遍［6］。3D 打印模型能更真實地反映骨折的形態(tài)及骨折碎片的相對位置，有助于提高住院醫(yī)師對骨折類型理解的程度，縮短學習曲線，增加他們對于術(shù)前討論的自信心［7］。進一步來說，外科醫(yī)生可以利用三維模型進行模擬骨折復位及內(nèi)固定的置入，包括精準預測最佳手術(shù)入路、復位步驟、植入物的種類及規(guī)格、螺釘釘?shù)婪较颉⒅踩胛锓胖梦恢?、骨移植的需要等，這有助于制定合理的個性化手術(shù)計劃和優(yōu)化手術(shù)方案［8］。Zhang 等［9］回顧比較了常規(guī)手術(shù)和三維打印模型輔助手術(shù)治療高能量踝關(guān)節(jié)骨折脫位的療效和預后，相對于常規(guī)手術(shù)組，在3D打印組中，借助1：1實體模型，外科醫(yī)生能在體外提前進行鋼板預選擇及塑形，同時標記螺釘?shù)闹踩胛恢眉胺较颍黠@減少手術(shù)時間、術(shù)中出血量、透視次數(shù)，并在術(shù)后隨訪中顯示出較高的功能恢復率。Yao 等［10］類似地根據(jù)計算機斷層成像數(shù)據(jù)構(gòu)建跟骨骨折的三維重建模型，進而在軟件中模擬螺釘?shù)闹萌牒瞳@取螺釘釘?shù)绤?shù)，并進行實物模型驗證，以確保方案的準確性，他們發(fā)現(xiàn)通過此項技術(shù)的運用，明顯提高內(nèi)固定植入的準確性以及骨折的復位率，同時達到手術(shù)微創(chuàng)化的效果。Chen 等［11］首次將3D 打印模型應用于矯正嚴重燒傷后踝關(guān)節(jié)攣縮手術(shù)設(shè)計中，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)手術(shù)計劃相比，3D 打印模型輔助手術(shù)設(shè)計能顯著縮短手術(shù)時間，提高患者滿意度。此外，在術(shù)前談話中，由于足踝部結(jié)構(gòu)自身的復雜性，且受制于患者的受教育程度以及對醫(yī)學領(lǐng)域知識的理解度，即使采用通俗易懂的語言向患者進行講解病情、手術(shù)的必要性和風險性，也難免涉及專業(yè)醫(yī)療詞匯，因此，對于手術(shù)方案的解釋和選擇均較為困難［12］。在這種情況下，醫(yī)患雙方的信息不對稱以及對于手術(shù)的高期望值，極易引起醫(yī)療糾紛［13］。對此，3D 打印技術(shù)的應用可以較好地解決上述問題，借助實物仿真模型為媒介，患者及家屬可以直接觀察到病損的部位、范圍及嚴重性，更加充分地理解手術(shù)方案的步驟、難點和對應的處理方法，在一定程度上有效地提高術(shù)前談話的滿意度，增加患方在治療期間的依從性［14］。

3 個性化導航模板及截骨導板

在傳統(tǒng)手術(shù)中，為了螺釘置入的準確性，術(shù)中往往依靠術(shù)者手術(shù)經(jīng)驗多次在透視下進行徒手置釘，這難免會導致周圍骨質(zhì)的改變、引起螺釘固定強度降低，且對手術(shù)部位鄰近血管、神經(jīng)、韌帶等重要結(jié)構(gòu)也會構(gòu)成重大風險［15］。針對上述不足，目前臨床上主要應對手段包括計算機輔助導航系統(tǒng)與3D打印個性化導航模板等。其中，前者可通過空間定位系統(tǒng)將影像數(shù)據(jù)與現(xiàn)實人體相匹配，通過不同方位的斷層圖像，可以直觀地分析病變與周圍組織的立體空間關(guān)系，同時有效保證螺釘置入，縮短手術(shù)時間，減少X 線輻射損傷［16］。然而，盡管手術(shù)導航系統(tǒng)具有許多優(yōu)點，但是一方面受制于前期投入成本過高、定期的軟件更新以及設(shè)備的維護，使得該技術(shù)難以在國內(nèi)欠發(fā)達地區(qū)進一步開展，另一方面，其使用難度過大、學習曲線過長和導航技術(shù)固有的不足也成為臨床骨科醫(yī)生尚未普遍接受的主要障礙［17］。而3D打印個性化導航模板并不依賴于規(guī)?；墓I(yè)基礎(chǔ)，制作成本較低，面對難度較大的手術(shù)時，也能提供良好的置釘準確性及適用性，更利于基層醫(yī)院開展［18］。Duan 等［19］基于距下關(guān)節(jié)薄層CT 數(shù)據(jù)制作了3D打印定制導板，以用于距下關(guān)節(jié)融合術(shù)中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用個性化導板可以根據(jù)術(shù)前計劃準確地將克氏針鉆入合適的位置，有效縮短手術(shù)時間，減少術(shù)中放射次數(shù)。黃雯潔等［20］在一項3D 打印個體化導板輔助解剖重建踝關(guān)節(jié)外側(cè)韌帶的研究中，指出個體化鉆孔導板既能保證手術(shù)安全可靠，防止術(shù)中意外的發(fā)生，又可以達到個性化解剖重建，且療效肯定。

此外，在足踝矯形手術(shù)中，足部、踝關(guān)節(jié)和下肢畸形往往是多平面的，術(shù)中任何對線不良的矯正可能導致持續(xù)的異常應力產(chǎn)生，加劇相鄰關(guān)節(jié)的退行性變，因此，在術(shù)前規(guī)劃和模擬手術(shù)過程中，評估每個平面的位置，獲得特定的角度關(guān)系對于確定畸形程度及其對肢體功能的影響顯得尤為重要［21］。X 光片和計算機斷層掃描是重要的輔助方法，但仍然無法提供多平面復雜畸形的三維量化，導致術(shù)中截骨操作難度較大，容易引起步態(tài)異常、應力性骨折、假體磨損、骨吸收以及假體松動等術(shù)后并發(fā)癥［21］。而個性化3D 打印截骨導板的運用，可顯著降低術(shù)中截骨操作難度，縮短反復截骨時間，提高截骨的精確度，減少力學糾正不良的可能性［23］。Chen 等［24］報道了一個罕見的足部多趾畸形病例，其多趾起源于畸形的跟骨，術(shù)前步態(tài)分析顯示患足存在異常負重區(qū)，考慮到傳統(tǒng)手術(shù)無法達到恢復正常解剖形狀的同時保證足功能性完整，因此，基于3D打印技術(shù)設(shè)計出符合多趾畸形和跟骨間解剖關(guān)系的截骨導板，并成功實施截骨術(shù)，術(shù)后X 光顯示跟骨修復至正常形狀，而步態(tài)分析顯示左腳負荷均勻，疼痛區(qū)域得以消除。董謝平等［25］對于嚴重踝關(guān)節(jié)內(nèi)骨折畸形愈合患者，采用自行設(shè)計接力方式的截骨導板輔助在較小的顯露或操作空間內(nèi)完成多平面截骨，展示了3D 截骨導板輔助截骨技術(shù)的高效性和準確性。Giardini 等［26］回顧了接受Infinity 型人工踝關(guān)節(jié)置換術(shù)的17 例患者，其中7 例采用傳統(tǒng)的髓外對準截骨器械（STD組），其余10例采用患者專用輔助截骨器械（PSI組），術(shù)后與STD 對照組相比，PSI組疼痛評分有著更大的改善，且尚無假體撞擊綜合征的出現(xiàn)，影像學結(jié)果顯示PSI 組置換位置更為準確且具有更大的植入重復性。

4 個性化植入物設(shè)計

骨缺損的修復重建仍然是足踝外科領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。盡管如今已有諸多方法實現(xiàn)骨修復重建，然而，對于復雜骨缺損的修復重建，如創(chuàng)傷后骨缺損、骨缺血壞死、全踝關(guān)節(jié)置換失敗、骨腫瘤和骨髓炎等，利用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性移植物進行缺損填補常因無法根據(jù)骨缺損的大小、形狀進行精準配對而受到限制［27-28］。另外，此類結(jié)構(gòu)性移植物也難以承受足踝部的高負荷應力，從而導致骨不愈合、結(jié)構(gòu)塌陷、節(jié)段性重建力學強度不足、植入物松動失效等并發(fā)癥［29］。因此，臨床上亟需一種能解決傳統(tǒng)標準化植入物形態(tài)不匹配問題以及提供長期在體穩(wěn)定性的修復植入體。3D打印技術(shù)使得定制金屬植入物的開發(fā)成為可能，這種植入物提供了優(yōu)越的機械穩(wěn)定性，同時其獨特的“私人”定制性能精準實現(xiàn)骨缺損的形態(tài)學匹配。王碧菠等［30］通過一項尸體力學試驗證明，使用3D打印技術(shù)定制的距骨假體，其大小形態(tài)及關(guān)節(jié)面弧度能達到與切除的距骨部分完全一致，植入后與受體距骨形態(tài)高度匹配，修復處局部所受壓強無明顯變化，并不會產(chǎn)生異常應力，提示其臨床應用的可行性。Dekker等［31］應用3D打印個性化鈦籠對15例具有嚴重骨缺損、畸形或骨不連的患者施行足踝重建手術(shù)，并進行1年以上隨訪，影像學檢查示15例患者中有13例（87%）融合成功。So等［32］報道了3例足踝術(shù)后失效、骨不連的患者使用定制3D鈦桁架植入物進行修復重建，術(shù)后6個月的CT掃描顯示，種植體和填充的骨移植物的骨整合率>50%，在17.33個月的平均隨訪時間內(nèi)，患者疼痛明顯改善，成功恢復日常生活活動，并未發(fā)現(xiàn)沉降、種植體塌陷或矯正喪失的早期跡象。隨著3D金屬打印制造工藝的發(fā)展，多孔金屬植入物已成為足部和踝關(guān)節(jié)重建手術(shù)中的一種可行選擇。研究表示，應用3D打印技術(shù)制造的多孔金屬植入物其高孔隙率和互連孔的特性保證了其良好的骨整合及骨誘導能力，有效減少了既往因結(jié)構(gòu)性移植失敗而引起的骨不連、骨溶解和移植物塌陷等問題［33-36］。Fang等［37］采用三維打印模塊化假體為1例距骨間葉肉瘤患者進行全距骨置換重建，假體由超高分子量聚乙烯上部組件和多孔鈦合金下部組件制成，6個月后患者可在無輔助支具的情況下自主行走，并未出現(xiàn)足部疼痛，X線片顯示假體和螺釘位置穩(wěn)定，周圍骨骼無異常。楊錢東等［38］自主設(shè)計了具有生物學功能的個性化三維打印距骨假體，對8例嚴重距骨坍塌性壞死患者進行假體置換，結(jié)果顯示該距骨假體解剖結(jié)構(gòu)與健側(cè)距骨完全一致，適配性良好，在平均23.2個月的隨訪時間內(nèi)，并未出現(xiàn)再次骨折、皮膚愈合不良或感染、假體移位、力線不良等并發(fā)癥。

5 個性化踝足矯形器

踝足矯形器（Ankle-Foot Orthose,AFO）作為足踝矯形中一種常見的外固定器械，可以起到減少壓力、緩沖疼痛、矯正畸形以及提高足踝部穩(wěn)定性等作用，常用于預防因各種疾病造成的足下垂引起的跌倒，減輕因關(guān)節(jié)畸形引起的慢性疼痛以及控制地面反作用力，減輕足底疲勞等［39］。相比于傳統(tǒng)的AFO 制造工藝復雜、生產(chǎn)周期長、容易引起患者不適等缺點，依托3D 打印技術(shù)的個性化AFO 擁有設(shè)計自由、制造時間短、零件數(shù)目小、輕量化結(jié)構(gòu)、材料成本低等天然優(yōu)勢，此外，在CAD 軟件幫助下，工程師可根據(jù)患者足部的形狀，結(jié)合步態(tài)周期內(nèi)足底壓力分布數(shù)據(jù)，對個性化AFO 進行生物力學優(yōu)化設(shè)計，以提供更好的行走性能、貼合度與舒適度［40-42］。Liu 等［43］介紹一種以工程級熱塑性塑料PA12制作而成的個性化踝足矯形器，位于小腿及足底的圓孔輕量化設(shè)計，在減輕重量并節(jié)省材料同時，為患者提供更為舒適、透氣的穿著環(huán)境，隨后的臨床試驗證明，該AFO 對腦卒中患者的步速和步長有顯著的改善。Xu 等［44］將60 名足底筋膜炎患者隨機分為兩組，對照組佩戴傳統(tǒng)預制AFO，而實驗組佩戴定制的3D 打印AFO，足底壓力測試結(jié)果顯示，與對照組相比，定制AFO 組更加符合患者實際足部狀況，能在較短時間內(nèi)產(chǎn)生矯形效果，并且隨著時間的推移矯形效果逐漸增強。Tarrade等［45］通過3D 掃描技術(shù)對34 名足部疼痛的站立工作者進行個性化足部矯形器設(shè)計并搭配定制鞋墊，佩戴3周后患者疼痛、不適感、下肢沉重感明顯減輕；此外，力學測試表明定制化足部矯形器可更好地平衡足底峰值壓力分布，將壓力從后足轉(zhuǎn)移到中足。Tenten-Diepenmaat 等［46］利用鞋內(nèi)足底壓力測量的反饋，開發(fā)了一種用于評估和調(diào)整足部矯形器的優(yōu)化方案，并對38 例有足部癥狀的類風濕關(guān)節(jié)炎患者進行療效評估，結(jié)果表明，佩戴足部矯形器可顯著改善疼痛和身體功能，并有效降低前足底壓力。

6 3D打印技術(shù)在足踝外科的局限性與未來展望

雖然3D打印技術(shù)在足踝外科中有多方向的應用，但仍存在一些需要解決的問題。首先，受制于定制化植入物成本高、設(shè)計制造時間長的影響，患者仍更傾向于使用標準化植入物，因此，如何提高打印速度以及減少制造成本已成為擴展3D打印應用規(guī)模的下一步研究方向；其次，臨床中3D打印的植入物大部分用于骨性手術(shù)中，而鮮有關(guān)節(jié)軟骨、皮膚軟組織結(jié)構(gòu)的應用報道，盡管已有不少體外及動物試驗研究表明生物3D打印技術(shù)已經(jīng)能夠制備生物相容性良好、機械強度足夠的三維支架模型，以適應細胞黏附生長以及組織器官再生修復，但仍需對其臨床有效性和安全性進行更進一步的探索；再者，3D打印工作流程中常涉及多個獨立的工程軟件相互協(xié)作，往往需要醫(yī)工之間進行詳盡的規(guī)劃，為求縮短醫(yī)工之間的理解差異，進一步降低時間成本，有必要開發(fā)一個集成整合的一體化計算機平臺，以便于不同的醫(yī)護工作者與生物醫(yī)學工程師之間進行無縫交流。此外，3D打印技術(shù)的安全性和規(guī)范性是另一個考慮因素，目前行業(yè)內(nèi)對該技術(shù)與定制產(chǎn)品仍缺乏監(jiān)控與管理體系，也尚無統(tǒng)一標準以對3D打印產(chǎn)品進行安全性評估，亟需相應的應用指南和法律法規(guī)的出臺。相信隨著相關(guān)研究的深入開展、新型材料的研發(fā)以及法律制度的完善，上述不足將會得到逐步解決，而3D打印技術(shù)也將成為推動足踝外科領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。